一种有机太阳电池及其环保型溶剂保护的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种环保型溶剂保护的方法用于制备堆积结构的有机太阳电池，打破了依次旋涂过程中对正交溶剂的要求。利用无苯环和无卤素的溶剂(例如：二甲基亚砜(DMSO)、N，N

【技术实现步骤摘要】
一种有机太阳电池及其环保型溶剂保护的制备方法


[0001]本专利技术涉及堆积结构(双层)有机太阳电池领域，具体采用醇类、烷烃类、醚类等不良溶剂作为保护剂。在依次旋涂过程中，保护第一层旋涂的溶液不被之后旋涂的受体溶液所溶解，从而制备堆积结构的有机太阳电池。

技术介绍

[0002]目前，基于本体异质结结构(BHJ)的单结有机太阳电池的效率可以超过17％，甚至可以达到18％，其效率已达到商业化可行。但是，给体和受体的随机分布，增加了载流子复合的几率，导致电荷输运不平衡，从而限制效率的进一步提高。并且，在旋涂薄膜过程中，混合溶液中具有较低表面能的组分倾向朝着具有较低表面能的空气界面聚集，而与衬底表面能较接近的组分将倾向于聚集在底部被埋藏着的界面处，使整个体系达到最稳定状态。在有机太阳能电池中，这一性质直接影响活性层在垂直方向上的分布，从而造成了动力学的不稳定。并且，为了进一步优化有机太阳电池的性能，在电池制备的过程中需要诸多的预处理步骤，例如：D/A比的优化、添加剂的加入、热退火、溶剂退火等。这些步骤都增加了有机太阳电池加工的复杂性。而双层结构的有机太阳电池在某些方面可以减少预处理过程，从而进一步增加其商业化制备的可能性。同时，在双层结构的有机太阳电池制备过程中，给体材料和受体材料的有机薄膜可以分开制备。这样更有利于控制每层薄膜的形貌，达到平衡的电荷传输，以及薄膜与电极之间直接的电荷传输。
[0003]当前，在旋涂法制备的双层结构有机太阳电池过程中，主要采用正交溶剂分别溶解给受体材料，从而制备双层有机太阳电池。在此方法中，正交溶剂的选择成为限制其广泛应用的障碍。实验中，常常存在众多的溶剂对给受体材料不具有溶解性或是极其微弱的溶解性。因此，这些溶剂不能作为正交溶剂去制备有机薄膜。但是，其可以作为一层保护溶剂，保护第一层旋涂的有机薄膜，使其不被第二层旋涂的有机薄膜所破坏。因此，可以采用这种不良溶剂保护法制备双层结构的有机太阳电池。
[0004]不良溶剂二甲基亚砜(DMSO)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、正己烷、正庚烷、正辛烷、乙醇、甲醇、乙醚等对给受体材料不具有溶解性或极其微弱的溶解性。这些溶剂不含有苯环和卤素元素，可称为环保型溶剂。将其旋涂在第一层有机薄膜上而保护有机薄膜不被第二层旋涂的有机溶液所破坏，从而制备双层结构的有机太阳电池。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对正交溶剂法所存在的问题，提出了一种不需要正交溶剂的方法——环保型溶剂保护法(ESP)——制备双层结构有机太阳电池(SD器件)。采用环保型溶剂二甲基亚砜(DMSO)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、正己烷、正庚烷、正辛烷、乙醇、甲醇、乙醚作为保护溶剂，对第一层旋涂的给体材料起到保护作用。通过研究环保型溶剂在有机薄膜表面的铺展系数(S)和饱和蒸气压(P)，进而研究环保型溶剂对有机薄膜的保护特性，从而提出了保护因子(δ)的概念。并在保护因子与电池的能量转化效率(δ-PCE)间建立起定量的关系，可
以作为经验公式为之后的研究起到指导作用。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种有机太阳能电池，包括导电基底材料、空穴传输层、给体材料、受体材料、电子传输层及阴极；
[0007]其中，所述的导电基底材料选自氧化铟锡(ITO)玻璃、掺氟的二氧化锡玻璃、掺铝的氧化锌玻璃、ITO-聚对苯二甲酸乙二醇酯、ITO-聚萘二甲酸乙二醇酯中的任意一种或其组合；
[0008]其中，所述的空穴传输材料选自聚3,4-乙撑二氧噻吩或聚苯乙烯磺酸盐或其组合；
[0009]其中，所述的给体材料选自D18、PM6、PM7、PBDB-T、PTB7-Th中的任意一种或其组合；
[0010]其中，所述的受体材料选自N3、Y6、IT-4F、IT-4Cl、ITIC、PC
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BM中的任意一种或其组合；
[0011]其中，所述的电子传输层选自ZnO、TiO2、SnO2、PFN、PFN-Br、PDINO中的任意一种或其组合；
[0012]其中，所述的阴极材料选自常用导电材料或惰性电极材料，包括铁、铜、铝、金、铂或石墨。
[0013]除此之外，本专利技术还提供了本专利技术的有机太阳能电池的环保型溶剂保护法制备方法，其特征在于：
[0014](1)首先在干净的导电基底上旋涂一层空穴传输层形成第一旋涂层；
[0015](2)将给体材料溶解在有机溶剂中，形成均一的溶液，并旋涂于空穴传输层上形成第二旋涂层；
[0016](3)将保护溶剂旋涂于第二旋涂层上形成第三旋涂层；
[0017](4)将受体材料溶解于有机溶剂中，形成均一的溶液并旋涂于第三旋涂层上形成第四旋涂层；
[0018](5)退火，以除去多余的溶剂得到薄膜层；
[0019](6)将电子传输层溶解于有机溶剂中，形成均一的溶液并旋涂于步骤(5)所得到的薄膜层中；
[0020](7)采用真空蒸镀法蒸镀于所述的阴极材料上得到所述的有机太阳能电池。
[0021]在本专利技术的技术方案中，其中步骤(2)所述的有机溶剂为氯苯、甲苯或者二甲苯中的一种或其组合；
[0022]在本专利技术的技术方案中，其中步骤(3)所述的保护溶剂选自对所述的受体材料不具备溶解性或微溶性的环保型溶剂，优选为二甲基亚砜(DMSO)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、正己烷、正庚烷、正辛烷、乙醇、甲醇、乙醚的一种或其任意组合；
[0023]在本专利技术的技术方案中，其中步骤(4)所述的有机溶剂选自氯仿、四氯化碳、二氯甲烷中的一种或其任意组合；
[0024]在本专利技术的技术方案中，其中步骤(6)的有机溶剂选自甲醇。
[0025]除此之外，本专利技术还提供了一种衡量不同保护溶剂对本专利技术的有机太阳能电池的保护特性的方法，其中所述的方法选用保护因子的绝对值(δ)作为参考值，当δ越小时，保护特性越好，其中：
[0026]δ＝S
×
logP
[0027]S＝γ
g-l
(cosθ-1)
[0028]其中，θ为不同保护溶剂在给体材料薄膜表面的接触角，γ
g-l
为气液界面表面张力，S为铺展系数，P为保护溶剂在25℃条件下的饱和蒸汽压P。
[0029]与现有技术相比，本专利技术专利的优点在于：
[0030]1.本专利技术打破了正交溶剂法的限制，采用对给受体材料不具有溶解性或极其微弱溶解性的环保型溶剂作为保护溶剂，并将其应用到双层结构有机太阳电池中。
[0031]2.本专利技术器件基于D18+N3体系的有机太阳能电池器件效率为17.52％，为双层结构有机太阳电池效率的最高效率值。并且，普适性研究表明该结构的有机太阳电池的效率值都能达到本体异质结结构(BHJ)有机太阳电池效率的90％以上。
[0032]3.本专利技术器件中提出了保护因子(δ)的概念，并建立了保护因子与电池的能量转化效率(δ-PCE)间的定量的关系。将其扩展到8个给受体体系，证明了该研究的普适性，为之后的研究提供指本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有机太阳能电池器件，包括导电基底材料、空穴传输层、给体材料、受体材料、电子传输层及阴极；其特征在于：所述的导电基底材料选自氧化铟锡(ITO)玻璃、掺氟的二氧化锡玻璃、掺铝的氧化锌玻璃、ITO-聚对苯二甲酸乙二醇酯、ITO-聚萘二甲酸乙二醇酯中的任意一种或其组合；所述的空穴传输材料选自聚3,4-乙撑二氧噻吩或聚苯乙烯磺酸盐或其组合；所述的给体材料选自D18、PM6、PM7、PBDB-T、PTB7-Th中的任意一种或其组合；所述的受体材料选自N3、Y6、IT-4F、IT-4Cl、ITIC、PC
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BM中的任意一种或其组合；所述的电子传输层选自ZnO、TiO2、SnO2、PFN、PFN-Br、PDINO中的任意一种或其组合；所述的阴极材料选自常用导电材料或惰性电极材料，包括铁、铜、铝、金、铂或石墨。2.如权利要求1所述的有机太阳能电池，其中，所述的导电基底材料选自氧化铟锡(ITO)玻璃。3.如权利要求1所述的有机太阳能电池，其中，所述的电子传输层选自PDINO。4.如权利要求1所述的有机太阳能电池，其中，所述的阴极材料选自铝。5.一种如权利要求1至4任意一项所述的有机太阳能电池的环保型溶剂保护法制备方法，其特征在于：(1)首先在干净的导电基底上旋涂一层空穴传输层形成第一旋涂层；(2)将给体材料溶解在有机溶剂中，形成均一的溶液，并旋涂于空穴传输层上形成第二旋涂层；(3)将保护溶剂旋涂于第二旋涂层上形成第三...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄辉，魏亚男，
申请(专利权)人：中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：